DD257488A1 - Verfahren und anordnung zur kompensation belastungsabhaengiger laengenmessfehler bei einem positioniersystem mit einem schraubtrieb und einem winkelgeber - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar in der Laengenmesstechnik, insbesondere an Werkzeugmaschinen, wo Schraubtriebe in Verbindung mit Winkelgebern als translatorisches Positioniersystem genutzt werden sollen, wobei vom Schraubtrieb Kraefte aufgenommen werden muessen. Die Erfindung besteht darin, dass zusaetzlich zu einem an der Spindel vorhandenen Winkelgeber ein zweiter Winkelgeber vorgesehen ist, der am anderen Ende der Spindel ueber ein zwischen Antrieb und Spindel geschaltetes Torsionsglied den Drehwinkel des Antriebes erfasst, waehrend der erste Winkelgeber in bekannter Weise den Drehwinkel der Spindel an dem vom Antrieb abgewandten Ende der Spindel erfasst. Die Differenz der von den Winkelgebern erfassten Winkel wird in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet und als Signal fuer eine Steuereinrichtung weitergegeben. Das von der Steuereinrichtung generierte Stellsignal fuer den Antrieb bewirkt, dass ein an die Spindelmutter gekoppeltes Element, unabhaengig von der Belastung auf dieses, bezueglich seiner Position in axialer Richtung des Schraubtriebes stets richtig eingestellt ist. Figur

Description

SOLLKORR TSOLL ⁺ , ,y_o * ρ

^V · ^TS0LL

gebildet wird,

der zur Kompensation belastungsabhängiger Längenmeßfehler einer Steuereinrichtung (15) zur

Einstellung der Position des Elements (5) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DifferenzAcp₂ in der vom Antrieb (10) abgewandten Endlage des Elementes (5) ermittelt wird.

3. Anordnung zur Kompensation belastungsabhängiger Längenmeßfehler bei einem Positioniersystem mit einem Schraubtrieb und einem Winkelgeber, bei der zur indirekten Messung der Verschiebung eines über eine Mutter losefrei angekoppelten Elements der Winkelgeber an dem von einem Antrieb abgewandten Ende des Schraubtriebes an diesen angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem antriebsseitigen Ende (7) des Schraubtriebes (1) und dem Antrieb (10) eine Torsionselement (8) eingebracht ist, daß ein zweiter Winkelgeber (11) zur Messung des Verdrehwinkels des Antriebes (10) vorgesehen ist, und daß die Winkelgeber (11) (13) zur Meßwertverarbeitung mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung (14) in Verbindung stehen,

wobei die Auswerteeinrichtung (14) mit einer Steuereinrichtung (15) für den Antrieb (10) verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Torsionselement (8) durch Formgebung an den Schraubtrieb (1) angearbeitet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in der Längenmeßtechnik angewendet werden, wo Schraubtriebe in Verbindung mit einem Winkelgeber als transiatorisches Positioniersystem genutzt werden, bei dem vom Schraubtrieb Kräfte aufgenommen werden müssen. Vorrangig geht es dabei um den Einsatz von Wälzschraubtrieben in Werkzeugmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Einsatz von Wälzschraubtrieben in Werkzeugmaschinen entstehen durch die Übertragung der wirkenden Kräfte, wie zum Beispiel Schnittkräfte und Zustellkräfte, in der Spindel-Mutter-Paarung und in der Axiallagerung Deformationen bis zu 100 μιη (H.Schmidt, Berechnung und Einbaubedingungen eines Wälzschraubtriebes bei nichtkardanischem Anbau an den Schlitten einer Werkzeugmaschine, Dissertation, TU Dresden 1975)

Diese Deformationen wirken dann bei den Lösungen, bei denen der Wälzschraubtrieb in Verbindung mit einem Winkelgeber als

translatorisches Positioniersystem genutzt wird, voll als translatorische Fehlpositionierung. Bei hohen Präzisionsansprüchen wird dadurch der Einsatz des Wälzschraubtriebes als indirektes translatorisches Positioniersystem eingeschränkt.

Bei anderen bekannten Lösungen wird zusätzlich zum Wälzschraubtrieb, derdann nur als Stellglied benutzt wird, ein direktes translatorisches Meßsystem eingesetzt.

Damit bewirken die besagten Deformationen keinen Positionierfehler, aber nachteilig ist der zusätzliche Aufwand für das translatorische Wegmeßsystem, der über die gesamte Translationsstrecke benötigte Einbauraum für das translatorische Meßsystem in der Werkzeugmaschine, sowie die Störanfälligkeit translatorischer Meßsysteme bei extremer Umgebungsbelastung, wie z. B. Öl, Öldämpfe, Kühlmittel, Staub oder Hitze.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit geringem Aufwand den Einsatz von Schraubtrieben in Verbindung mit Winkelgebern als indirektes translatorisches Positioniersystem bei erhöhten Genauigkeitsansprüchen zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Anordnung zu schaffen, die ausschließlich unter Messung von Drehwinkeln dieAuswirkungen von kräftebedingten Deformationen auf dietranslatorische Positionierung laufend kompensieren können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben dem bekannten und üblichen Winkelgeber an der nicht angetriebenen Seite der Spindel ein weiterer Winkelgeber an dem antriebsseitigen Spindelende angeordnet wird, wobei zischen diesem antriebsseitigen Spindelende und dem zweiten Winkelgeber noch ein zusätzliches Torsionsglied angebracht wird.

Dadurch ist es möglich, aus dem Differenzwinkel der beiden Winkelgeber, d. h. aus der Torsion zwischen Antriebs- und Abtriebsseite von Spindel plus Torsionselement, ein der Deformation proportionales Signal abzuleiten. Im Differenzwinkel φ der beiden Winkelgeber ist in der antriebsseitigen Endlage der Spindelmutter im wesentlichen nur der Torsionswinkel des Torsionselementes erfaßt, während in der entgegengesetzten Endlage der Mutter der Torsionswinkel der Spindel selbst mit enthalten ist. Um diesen Differenzwinkel in einen Korrekturwert umsetzen zu können, sind also zwei Konstanten zu bestimmen:

Die erste Konstante K₁ gibt an, welcher Deformation Δχ ein bestimmter Differenzwinkel entspricht, wenn die Eigentorsion der Spindel, welche positionsabhängig ist, nicht wirkt. Dies gilt näherungsweise in der antriebsseitigen Endlage der Spindelmutter.

Zusätzlich ist eine zweite Kostante K₂ zu ermitteln, die angibt, um wieviel größer die Torsion der Kombination Torsionselement plus Spindel gegenüber der Torsion nur des Torsionselementes bei gleicher Belastung ist.

Die Konstante Κι wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, indem in der antriebsseitigen Endlage der Spindelmutter durch eine definierte Belastung eine definierte bzw. eine zu messende Deformation Δχ erzeugt wird. Nach Messung

Δχ des Differenzwinkels ψ-\ ergibt sich Ki =—- .

φι .

Die Konstante K₂ wird sinnvollerweise am anderen Spindelende ermittelt, ist jedoch auch in Zwischenstellungen möglich. Dazu wird

Ψ2 bei gleicher Belastung der Differenzwinkel cp₂ gemessen, wodurch nun die Konstante K₂ = angibt, wiewiel größer in

Φι

dieser Stellung die Torsion ist. Durch eine Berechnungsvorschrift kann nun mit den bekannten Größen Spindelsteigung, Spindellänge, Ki, K₂ und der translatorischen Sollposition Xsoll sowie der ständig abfragbaren Winkeldifferenz φ eine laufende Korrektur der belastungsabhängigen Deformation erfolgen. Dazu wird die indirekte rotatorische Sollkoordinate cpsou. mittels einer Auswerteeinrichtung, in der die Korrekturrechnung erfolgt, in eine korrigierte rotatorische Sollkoordinate cpsollkorr umgewandelt und einer bekannten üblichen Steuereinrichtung zugeführt.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand einer Figur noch näher erläutert. In der Figur ist ein Schema eines Positioniersystems dargestellt, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Das Positioniersystem besteht aus einem Schraubtrieb mit einer Spindel 1 und einer Mutter 2. Die Spindel 1 ist in Lagern 3.1. und 3.2. im Gestell 4 aufgenommen. Als zu positionierendes Element 5 ist ein Werkzeugschlitten losefrei an die Mutter 2 angekoppelt.

Das Element 5 sitzt in einer Geradführung 6 des Gestells 4. Andern antriebsseitigen Ende 7 der Spindel 1 ist ein Torsionselement 8 durch Formgebung angearbeitet. An das Torsionselement 8 sind in Achsrichtung 9 ein Antrieb 10 und ein Winkelgeber 11 angekoppelt. An dem vom Antrieb 10 abgewandten Ende 12 der Spindel 1 ist ein weiterer Winkelgeber 13 angekoppelt. Die Winkelgeber 11 und 13 sind mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung 14 verbunden, die mit einer Steuereinrichtung 15 für den Antrieb 10 in Verbindung steht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit dieser Anordnung wie folgt durchgeführt werden:

In Stellung 16 der Mutter 2 wird eine Belastung F auf die Mutter 2 aufgebracht. Damit ergibt sich eine Verlagerung Δχ der Mutter 2, die in bekannter nicht dargestellter Weise gemessen wird. Dabei wird mittels der bekannten Steuereinrichtung 15 die beim Einleiten der Belastung F entstehende Verdrehung des Winkelgebers 13 zurückgeregelt. Die Größe φι sei die Differenz der Winkelwerte der Winkelgeber 13 und 11. Es ergibt sich eine Konstante K₁ zu:

In Stellung 17 wird die gleiche Belastung F aufgebracht und dabei der Winkelgeber 13 zurückgeregelt, so daß sich nach bekannter Weise die Weise die gleiche Größe Δχ ergibt. Die Größe φ₂ ist die hierbei ableitbare Winkeldifferenz zwischen den Winkelgebern 13 und 11. Damit ergibt sich eine Konstante K₂ zu:

K₂ = ^L Φι

Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte sind ein einmaliger Vorgang im Sinne eines Kalibrierens der Einrichtung. In der Auswerteeinrichtung 14 wird nun bei jeder Positionierung die Winkeldifferenz φ zwischen Winkelgeber 13 und 11 bestimmt

Mit den bekannten Konstanten Spindelsteigung P, Spindellänge L, K₁ und K₂ sowie der jeweiligen indirekten Sollkoordinate wird nun nachfolgender Rechenvorschrift in der Auswerteeinrichtung 14 die korrigierte Koordinate (Psollkorr ermittelt:

K₁ · φ Zn

9soilkorr — <PsoLL τ ζ

_{1 +}

2π· L

Diese korrigierte Koordinate wird nun der bekannten Steuereinrichtung 15 zur Einstellung zugeführt. Durch Realisierung von 9soLLKORR ist die translatorische Sollkoordinate Xsoll unabhängig von der jeweils vorliegenden Belastung richtig eingestellt

Wenn der Torsionswinkel der Spindel 1 gegen den des Torsionselementes 8 vernachlässigt werden kann, d.h., wenn die Spindel 1 hinreichend torsionssteif ist, dann wird K₂ « 1 und die Rechenvorschrift vereinfacht sich dann zu

2π

+ K₁ · φ

Claims (1)

1. Patentansprüche:^:

   1. Verfahren zur Kompensation belastungsabhängiger Längenmeßfehler bei einem Positioniersystem mit einem Schraubtrieb und einem Winkelgeber, bei dem die Verschiebung eines über eine Mutter an den Schraubtrieb losefrei angekoppelten Elemente indiskret durch die Messung des Verdrehwinkels des Schraubtriebes an dem von einem Antrieb abgewandten Ende des Schraubtriebes mittels eines Winkelgebers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem zweiten Winkelgeber (11) der Verdrehwinkel des Antriebes (10) gemessen wird, wobei der Antrieb (10) über ein starr angekoppeltes, zwischen dem Antrieb (10) und dem antriebsseitigen Ende (7) des Schraubtriebes (1) eingebrachtes Torsionselement (8) mit definierter Torsionssteifigkeit erfolgt, daß in einer Auswerteeinrichtung (14) einmalig die DifferenzAcp! der mit den Winkelgebern (11) (13) gemessenen Winkel und die dazugehörige Längenabweichung Ax₁ in der antriebsseitigen Endlage des Elementes (5) bei einer definierten Belastung ermittelt werden, und in einer von dieser Endlage entfernten Position des Elementes (5) die Differenz Δφ₂ der mit den Winkelgebern (11) (13) gemessenen Winkel bei einer definierten Belastung des Elementes (5) ermittelt wird, und daß in der Auswerteeinrichtung (14) im weiteren für jede Sollposition xsoaund jeden zugeordneten Sollwert cpsoufür den ersten Winkelgeber (13) aus der kontinuierlich gebildeten Winkeldifferenz Δφ zwischen den beiden Winkelgebern, aus der Schraubtriebsteigung P und der Schraubtrieblänge L ein korrigierter Winkelwert 9sollkorr nach der Beziehung

   Ax